基于數(shù)字孿生的教學樓智慧運維平臺研究

申家恒SHEN Jia-heng；魏遠帆WEI Yuan-fan；楊欣怡YANG Xin-yi；王文清WANG Wen-qing；陳江彥CHEN Jiang-yan

（石家莊鐵道大學管理學院，石家莊 050043）

0 引言

當前，在以中國制造2025、德國“工業(yè)4.0”為核心的全球第四次工業(yè)革命的浪潮中，實現(xiàn)建筑的綠色化、智能化、智慧化的發(fā)展是時代的潮流所向。隨著新一代信息技術（如大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等）與制造的融合發(fā)展以及應用，信息物理融合、數(shù)字孿生等技術迅猛發(fā)展，賦予建筑新的生命成為可能，智慧建筑作為信息化社會的產物得以應運而生。

就建筑的全生命周期而言，運維階段所占比例達55%-75%[1]，復雜的系統(tǒng)往往具有高昂的運維成本，運維管理控制之重要性不言而喻。目前，建筑運維管理階段所面臨的主要難題有：數(shù)據(jù)采集不全、數(shù)據(jù)各自為陣的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴重；系統(tǒng)的集成度低，缺乏統(tǒng)一、有效的運行維護處理中心平臺；能源浪費現(xiàn)象嚴重、能耗巨大，不符合綠色建筑要求，未形成有效的能耗管理系統(tǒng)；當前建筑的運維模式是被動式的，往往問題出現(xiàn)后才處理，缺乏主動的故障預測和健康管理系統(tǒng)；安全性較低、缺乏對突發(fā)事件的處理能力且運維效率低下，不能使各個系統(tǒng)協(xié)調配合達到要素配置最優(yōu)等[2]。

數(shù)字孿生技術的發(fā)展以及應用，為上述問題的解決提供了可靠的途徑。

1 數(shù)字孿生概念

數(shù)字孿生（Digital twin）的概念最早出現(xiàn)在2003 年，由Grieves M.W.教授在美國密歇根大學的產品全生命周期管理課程上提出[3]。之后，數(shù)字孿生被定義為集成多物理場、多尺度、多概率的仿真過程，基于飛行器的高保真物理模型、歷史數(shù)據(jù)和傳感器感知的實時數(shù)據(jù)等構建的與其對應的虛擬模型以刻畫和反映物理系統(tǒng)的全生命周期過程[4]。借助數(shù)字孿生，物理實體和虛擬實體之間實現(xiàn)了實時通信和雙向交互連接，在多維虛擬模型和融合數(shù)據(jù)的雙重驅動下完成閉環(huán)交互，可用于實現(xiàn)對物理實體變化的監(jiān)測、行為的模擬、狀態(tài)的評估、未來趨勢的預測、性能的提高以及運行的優(yōu)化等，實現(xiàn)物理實體和虛擬實體的同步控制。

2 智慧運維平臺總體架構、構建方法及功能

2.1 智慧運維平臺總體架構

國內學者陶飛等人在Grieves 教授提出的數(shù)字孿生三維模型，即物理實體、虛擬實體以及二者之間的連接[5]的基礎之上，創(chuàng)造性地提出了數(shù)字孿生五維模型，即物理實體、虛擬實體、服務、孿生數(shù)據(jù)、各組成部分間的連接[6]，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生五維模型

本文在數(shù)字孿生五維模型的基礎之上，研究教學樓智慧運維平臺。在此平臺中，物理實體對應教學樓實體，由各種子系統(tǒng)組成，存在于現(xiàn)實空間之中；虛擬實體對應虛擬模型，是對物理實體完全的數(shù)字化鏡像，存在于信息空間之中；服務系統(tǒng)集有控制、優(yōu)化和預測等各個系統(tǒng)，衍生出各類功能，體現(xiàn)了最終目的；孿生數(shù)據(jù)由教學樓實體、虛擬模型和服務系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)以及三者交互產生的融合數(shù)據(jù)組成，孿生數(shù)據(jù)平臺很好地消除了信息孤島現(xiàn)象，在進行深度數(shù)據(jù)融合基礎之上，不斷挖掘數(shù)據(jù)的價值，是以上三者的驅動所在；連接則是實現(xiàn)各組成部分之間動態(tài)實時交互、互聯(lián)互通的保障[7]。整體架構如圖2 所示。

圖2 教學樓智慧運維平臺架構

2.2 智慧運維平臺構建方法

2.2.1 數(shù)字孿生體建模及數(shù)據(jù)采集

模型是數(shù)字孿生的重要組成部分，也是實現(xiàn)數(shù)字孿生相應功能的必要條件。要求其能夠深入地刻畫和反映物理實體的多維屬性、實時狀況，預測物理實體的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)虛擬實體對物理實體的忠實、鏡像化反映，進而達成對物理實體的監(jiān)控、仿真、預測和優(yōu)化[8]，在一定程度上實現(xiàn)物理實體和虛擬實體的“同呼吸”。

關于幾何和物理維度的建模，通?？梢圆捎萌S數(shù)字化建模利用Autodesk Revit、AutoCAD、BIMMAKE 等軟件將與教學樓相關的結構、空間、設施等信息集合在一起，實現(xiàn)教學樓的信息化、三維可視化。

關于動態(tài)要素建模，通常需要在教學樓實體中安裝相應的監(jiān)控、RFID 設備、探測器和傳感器等，借助物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對教學樓實體的高精度數(shù)據(jù)采集和迅速傳輸。若采用無線傳感器，需要考慮網(wǎng)絡延遲、堵塞等情況給數(shù)據(jù)的實時性、精度造成的重大影響，采用文獻[9]提出的阻塞自適應數(shù)據(jù)采集方案可以有效地解決網(wǎng)絡阻塞問題，同時確保數(shù)據(jù)的精度；傳感器的布置和傳感器網(wǎng)絡的構建應以安全、快速、準確為原則；解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嘣串悩嫛?shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等問題，采用武漢大學計算機學院地球空間信息技術協(xié)同創(chuàng)新中心的蔣俊等人提出的一種基于軟件定義資源的實時控制CPS 數(shù)據(jù)傳輸模式可以有效滿足數(shù)據(jù)跨平臺、跨網(wǎng)絡、實時性等要求[10]。除此之外，教學樓實體中執(zhí)行器、控制器的布置等問題也需引起同樣的重視。

關于數(shù)字孿生模型的相應構建標準，可參考國內學者陶飛等人提出的“四化四可八用”構建準則[11]。

2.2.2 教學樓服務系統(tǒng)

教學樓服務系統(tǒng)是指在數(shù)據(jù)的驅動下各類服務系統(tǒng)功能的集合，可對實體要素進行管控和優(yōu)化。

在教學樓的運維過程中，虛擬模型與教學樓實體進行相關信息的疊加與實時交互，基于運維的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等，虛擬模型對實體要素的狀態(tài)進行分析、評估和預測，服務系統(tǒng)對初始運維方案進行修正與優(yōu)化，同時下達管控指令至教學樓實體，相關要素嚴格遵照指令進行調整并實時將運行數(shù)據(jù)真實反映至服務系統(tǒng)。當實時數(shù)據(jù)與指令發(fā)生矛盾時，服務系統(tǒng)將再次對運維方案進行修正并重復上述程序，經過數(shù)次迭代，最終實現(xiàn)對實體要素的最優(yōu)配置。該運維階段產生的相關數(shù)據(jù)將錄入孿生數(shù)據(jù)庫，與現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行融合后作為后續(xù)運維的驅動。

2.3 智慧運維平臺功能[8]

2.3.1 能耗管理

能耗管理是指對教學樓運維過程中水、電、熱、氣等能源消耗進行監(jiān)測、分析、控制和優(yōu)化等，針對能源消耗量巨大、能源利用率低、能源的有限性等問題對能源進行精細化管理，實現(xiàn)能耗最優(yōu)管控。根據(jù)相關設備收集到的高保真實時數(shù)據(jù)，虛擬模型對教學樓實體運維狀態(tài)進行模擬、仿真和預測，通過虛實之間的實時交互，運維方案得以進行動態(tài)調整和優(yōu)化，實現(xiàn)對實體中相關能耗設備的控制。以地源熱泵空調子系統(tǒng)為例，通常人體對濕度、溫度及室內空氣質量是有存在舒適感知區(qū)間的，一成不變的能耗支出并不能帶來很好的舒適感。依托能耗管理功能可對教學樓內部相關設備的運行效率、溫度、CO2濃度等進行實時監(jiān)測，同時根據(jù)實時數(shù)據(jù)動態(tài)調整地源熱泵空調子系統(tǒng)相關參數(shù)，控制風、熱等的排出量。

2.3.2 故障預測與健康管理

故障預測與健康管理是指利用各類傳感器和監(jiān)測設備對數(shù)據(jù)進行采集和處理，對設備健康狀況進行評估并對其做出預測，針對教學樓運維模式被動、設備狀態(tài)難以把握等問題，實現(xiàn)由傳統(tǒng)低效率的事后維修到高效率的事前保養(yǎng)、維護等轉變，從而提高設備壽命和促進其健康運行。教學樓中難以監(jiān)測到的隱蔽工程將徹底展現(xiàn)在視野下，各個設備都將實現(xiàn)全生命周期數(shù)字化管控。

2.3.3 消防安全管理

安全是智慧建筑所應具備的最基礎也是最重要的功能。以消防安全為例，教學樓實體通過物聯(lián)網(wǎng)技術和傳感器設備（煙感、溫感）可組裝智能報警裝置和噴淋裝置，根據(jù)事先設定的報警程序，當傳感器感受到高于常規(guī)值的溫度、煙霧時，相關數(shù)據(jù)會實時傳輸至虛擬模型進行模擬和仿真，服務系統(tǒng)對運維方案和相關要素進行調整和調動。在下達指令控制教學樓實體做出反應的同時，根據(jù)實體反映的實時數(shù)據(jù)，虛擬模型不斷對其進行模擬、仿真和優(yōu)化，服務系統(tǒng)對應對方案作出動態(tài)調整直至消除危險。教學樓中發(fā)生火災時，若火情處于萌芽狀態(tài)，運維平臺會迅速啟動噴淋裝置滅之；若發(fā)生爆炸造成火勢突發(fā)蔓延，在啟動消防警報鳴笛的同時，教學樓將進入應急狀態(tài)，相應的后備電源、噴淋裝置、安全電梯、緊急通道等設施均會在運維平臺的調度下協(xié)調運作，確保人身安全、建筑安全。

3 智慧建筑運維平臺的特點

3.1 虛實融合

教學樓實體與虛擬模型之間是雙向真實映射的。虛擬模型是對教學樓實體的完全忠實再現(xiàn)和模擬，通過高保真的實時數(shù)據(jù)，真實、動態(tài)地還原教學樓實體；教學樓實體對虛擬模型經過模擬、仿真、預測和優(yōu)化等做出的指令嚴格執(zhí)行，確保實現(xiàn)調度最優(yōu)化。

3.2 數(shù)據(jù)驅動

數(shù)據(jù)是最有效的驅動，教學樓實體、虛擬模型和服務系統(tǒng)之間通過孿生數(shù)據(jù)實現(xiàn)兩兩之間的融合與交互。就服務系統(tǒng)而言，其在教學樓實體實時數(shù)據(jù)的驅動下對運維方案進行調整，并將方案在虛擬模型中進行模擬和仿真，經過不斷地調整和優(yōu)化達到要素最優(yōu)配置；就教學樓實體而言，服務系統(tǒng)將指令下達至教學樓實體，在指令數(shù)據(jù)的驅動下調整相關要素的參數(shù)，同時將運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸至虛擬模型，在反饋數(shù)據(jù)的驅動下優(yōu)化運行過程；就虛擬模型而言，其在初始運維方案的驅動下進行模擬和仿真，實現(xiàn)要素調動。在執(zhí)行指令的過程中，實時監(jiān)測教學樓實體的運行狀態(tài)并在數(shù)據(jù)的驅動下進行反復模擬、仿真和預測等。相較于傳統(tǒng)的由管理者的個人知識與經驗驅動、離線/割裂數(shù)據(jù)交互、被動式運維，智慧運維平臺實現(xiàn)了孿生數(shù)據(jù)驅動、實時數(shù)據(jù)交互、主動式預測等方面的巨大轉變。

3.3 可視化

基于三維模型的創(chuàng)建和物聯(lián)網(wǎng)等技術的應用，教學樓在相當程度上實現(xiàn)了信息化，通過搭建智慧運維可視化大屏，可將教學樓實體納入人們的視野范圍之內，形成使用者與模型之間的深度交互，給使用者帶來沉浸感。同時，借助可視化的數(shù)字孿生模型，模型之間的結構關系、構件參數(shù)、教學樓實體運行狀態(tài)等均可實現(xiàn)直觀瀏覽。例如，發(fā)生火災時，可視化大屏中虛擬模型的相關位置會迅速產生基于精確定位的火焰標志，將鼠標移動至火焰位置處，可實現(xiàn)對虛擬模型中火災發(fā)生部位的細節(jié)展示，同時屏幕上會出現(xiàn)實時監(jiān)控的視頻、相關構件參數(shù)等相關信息，實現(xiàn)教學樓的可視化。

4 結語

數(shù)字孿生技術的發(fā)展為智慧建筑的建立奠定了堅實的基礎，基于數(shù)字孿生的教學樓智慧運維平臺研究是致力于實現(xiàn)建筑的智能化、智慧化的一次積極探索，對于建筑的節(jié)能降耗、安全性能和系統(tǒng)運行有效性的提高以及可視化展示等方面具有積極的意義。在如今物聯(lián)網(wǎng)時代下，建筑行業(yè)走向智慧化道路必然是時代所向、大勢所趨。